SS 433: Πώς οι ακτίνες γάμμα αποκαλύπτουν έναν γαλαξιακό επιταχυντή σωματιδίων
- Συγγραφέας: Στέλλα Μπουλά
- 04-01-2025
- Τροποποίηση: 17-01-2025
- Δυσκολία: Μέτριο
- Κατηγορίες: Αστροφυσική
Ο μικρόκβάζαρ* SS 433, ο πρώτος που ανακαλύφθηκε στον Γαλαξία μας, είναι από τα πιο εντυπωσιακά και ενδιαφέροντα αστροφυσικά αντικείμενα. Βρίσκεται περίπου 18.000 έτη φωτός μακριά από τη Γη, εντός του υπολείμματος υπερκαινοφανούς W50. Πρόκειται για ένα διπλό σύστημα ακτίνων Χ, που αποτελείται (πιθανότατα) από μία μαύρη τρύπα, με μάζα περίπου δέκα φορές αυτής της ηλιακής, και έναν συνοδό αστέρα με παρόμοια μάζα, αλλά πολύ μεγαλύτερο όγκο, ενώ η περίοδος περιφοράς του ενός αντικειμένου γύρω από το άλλο είναι 13 ημέρες. Καθώς το αστέρι περιφέρεται γύρω από τη μελανή οπή, η ισχυρή βαρυτική της έλξη δημιουργεί γύρω της έναν δίσκο προσαύξησης μάζας από θερμό υλικό, το οποίο αποσπάται από τον συνοδό αστέρα. Καθώς η ύλη προσπίπτει στη μελανή οπή, δύο εστιασμένοι πίδακες (jets) με φορτισμένα σωματίδια εκτοξεύονται εκατέρωθεν της μελανής οπής, κάθετα στον δίσκο προσαύξησης με ταχύτητα ίση με το 25% περίπου της ταχύτητας του φωτός.

Οι πίδακες αυτοί παρατηρούνται από τα ραδιοκύματα μέχρι της ακτίνες Χ, σε απόσταση μικρότερη του ενός έτους φωτός από τον SS 433. Στη συνέχεια εξαφανίζονται, ενώ επανεμφανίζονται λαμπροί στις ακτίνες Χ σε απόσταση 75 ετών φωτός από την κεντρική πηγή (Εικόνα 1). Από φυσικής άποψης, ο λόγος για την επανεμφάνιση των πιδάκων δεν είναι ακόμη κατανοητός.
Μέχρι το 2018, κανένας μικροκβάζαρ δεν είχε παρατηρηθεί στις ακτίνες γάμμα. Το 2018 το παρατηρητήριο High Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC) ανίχνευσε ακτίνες γάμμα από τον SS 433 για πρώτη φορά. Αυτό σημαίνει ότι για κάποιο λόγο τα σωματίδια επιταχύνονται και αποκτούν εξαιρετικά μεγάλη ενέργεια, από τη στιγμή που η ταχύτητά τους πλησιάζει αυτή του φωτός. Ο μηχανισμός επιτάχυνσης των σωματιδίων σε ταχύτητες παραπλήσιες αυτής του φωτός δεν είναι ακόμη εξακριβωμένος. Ακόμη και στα κέντρα ενεργών γαλαξιών, τους πλέον ισχυρούς κοσμικούς επιταχυντές σωματιδίων, δε γνωρίζουμε τι ακριβώς συμβαίνει. Όμως, ο μικροκβάζαρ SS 433 βρίσκεται εντός του Γαλαξία μας και προσφέρει ένα μοναδικό εργαστήριο μελέτης για τα επίγεια τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα προκειμένου να κατανοήσουμε τους φυσικούς μηχανισμούς που λαμβάνουν χώρα σε εκείνη την περιοχή.

Μετά την ανακάλυψη των ακτίνων γάμμα από το HAWC, μία συνέργεια παρατηρήσεων του αντικειμένου διάρκειας 200 ωρών έλαβε χώρα από το παρατηρητήριο H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) στη Ναμίμπια. Λόγω της εκπληκτικής ευκρίνειας στις παρατηρήσεις, που οφείλεται στα τηλεσκόπια του H.E.S.S., οι επιστήμονες κατάφεραν να εντοπίσουν την ακριβή τοποθεσία της εκπομπής τους.
Οι παρατηρήσεις αποκάλυψαν ότι οι ακτίνες γάμμα εκπέμπονται από τα εξωτερικά τμήματα των πιδάκων, σε απόσταση περίπου 75 ετών φωτός από το κεντρικό σύστημα. Εντυπωσιακό είναι ότι τα φωτόνια υψηλότερης ενέργειας (άνω των 10 TeV) εκπέμπονται κοντά στα σημεία όπου οι πίδακες “επανεμφανίζονται” ως έντονες πηγές ακτίνων Χ, ενώ τα φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας εκπέμπονται πιο μακριά κατά μήκος των πιδάκων.
Επιπλέον, παρατηρήθηκε μία απρόσμενη μορφολογία στις ακτίνες γάμμα. Ομάδα επιστημόνων από το Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg πραγματοποίησε μία προσομοίωση της παρατηρούμενης εκπομπής ακτίνων γάμμα και με αυτόν τον τρόπο κατάφεραν να υπολογίσουν για πρώτη φορά την ταχύτητα των εξωτερικών πιδάκων. Αυτή η ενεργειακή εξάρτηση της εκπομπής είναι πρωτοφανής για αστροφυσικούς πίδακες και υποδεικνύει την ύπαρξη ισχυρών ωστικών κυμάτων (shock) μέσα σε αυτούς. Τα shock αυτά φαίνεται να επιταχύνουν τα σωματίδια σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, ενώ στη συνέχεια μέσω της διαδικασίας του αντίστροφου φαινομένου Compton, τα σωματίδια μεταφέρουν ενέργεια σε χαμηλοενεργειακά φωτόνια του περιβάλλοντος χώρου, δημιουργώντας τις ακτίνες γάμμα. Αυτή η θεώρηση, αποτελεί και μία φυσική εξήγηση για την επανεμφάνιση των πιδάκων στις ακτίνες Χ, καθώς τα επιταχυνόμενα σωματίδια παράγουν επίσης ακτίνες Χ.
Παρά τις προόδους, πολλά ερωτήματα παραμένουν. Για παράδειγμα, η ακριβής προέλευση των shock στους πίδακες δεν είναι ακόμα γνωστή, ενώ καμία θεωρητική προσέγγιση δεν μπορεί να εξηγήσει πλήρως όλα τα χαρακτηριστικά τους. Οι μελλοντικές έρευνες, όπως σημειώνει η ερευνήτρια Laura Olivera-Nieto, μπορούν να αξιοποιήσουν τη σχετική εγγύτητα του SS 433 για να διαλευκάνουν αυτά τα μυστήρια. Το αντικείμενο SS 433 αποδεικνύει για άλλη μια φορά ότι ο Γαλαξίας μας κρύβει ανεξάντλητα μυστικά, τα οποία οι επιστήμονες αποκαλύπτουν με τη βοήθεια της σύγχρονης τεχνολογίας και της συνεχούς έρευνας.
Video: https://youtu.be/gsVb96q-KRw
Αναπαράσταση καλλιτεχνικής απεικόνισης του συστήματος SS 433 και περίληψη των κύριων αποτελεσμάτων της εργασίας. Video Credit: Science Communication Lab for MPIK/H.E.S.S.
Πηγή: https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/ss433
Η επιστημονική δημοσίευση:
Acceleration and transport of relativistic electrons in the jets of the microquasar SS 433
H.E.S.S. Collaboration
Science, Volume 383, issue 6681; DOI: 10.1126/science.adi2048
* Οι μικροκβάζαρ, λόγω της μορφολογίας τους θυμίζουν τους κβαζαρ, ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες, όμως λόγω της κλίμακας τους χαρακτηρίζονται ως μικροί.